[论文解读] Search for pair-produced vector-like top and bottom partners in events with large missing transverse momentum in pp collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration, Aad, Georges+2954 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹数据，研究了质子-质子碰撞中成对产生矢量型顶夸克（T）和底夸克（B）的衰变过程。在包含一个轻子、大缺失横向动量及至少四个喷注（其中一个为b夸克标记喷注）的末态中，采用多元神经网络分析方法，未观测到与标准模型显著偏离的现象，因此在95%置信水平下，对简并的T和B夸克给出1.59 TeV的下限质量，对T→Zt（B→Wt）的专属衰变模式则分别为1.47 TeV（1.46 TeV）的下限质量。

ABSTRACT

A search for pair-produced vector-like quarks using events with exactly one lepton ($e$ or $\mu$), at least four jets including at least one $b$-tagged jet, and large missing transverse momentum is presented. Data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC from 2015 to 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$, are analysed. Vector-like partners $T$ and $B$ of the top and bottom quarks are considered, as is a vector-like $X$ with charge +5/3, assuming their decay into a $W$, $Z$, or Higgs boson and a third-generation quark. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section of $T$ and $B$ quark pairs as a function of their mass are derived for various decay branching ratio scenarios. The strongest lower limits on the masses are 1.59 TeV assuming mass-degenerate VLQs and branching ratios corresponding to the weak-isospin doublet model, and 1.47 TeV (1.46 TeV) for exclusive $T ightarrow Zt$ ($B/X ightarrow Wt$) decays. In addition, lower limits on the $T$ and $B$ quark masses are derived for all possible branching ratios.

研究动机与目标

• 在具有大缺失横向动量、一个轻子和多个喷注的末态中，搜索成对产生的矢量型顶夸克和底夸克。
• 探究标准模型之外的新物理的存在，特别是通过矢量型夸克解决层次问题的理论模型。
• 通过使用多元神经网络技术而非简单的截断计数方法，提高对信号的灵敏度。
• 针对不同衰变情形，推导出T和B夸克的模型无关质量极限以及分支比依赖的质量极限。

提出的方法

• 本分析使用了ATLAS探测器在2015–2018年运行2期间收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 选择事件的标准为：恰好一个电子或μ子、大缺失横向动量，以及至少四个喷注，其中至少一个为b夸克标记喷注。
• 利用T和B夸克衰变为Zt、Ht、Wb、Wt（X夸克）的模拟信号事件，对神经网络进行训练，训练区域对所有衰变模式共用。
• 通过选择神经网络输出较高的事件定义信号区域，而控制区域则与训练区域和信号区域正交，以约束背景。
• 评估并纳入了喷注能量标度、轻子和b夸克标记效率以及亮度的系统性不确定性至统计模型中。
• 对控制区域和信号区域进行联合拟合，以提取信号截面的上限，并推导出T和B夸克质量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC中成对产生情况下，假设各种衰变分支比，矢量型顶夸克和底夸克的质量下限是多少？
• RQ2 与传统的截断分析方法相比，使用多元神经网络技术在该末态中如何提升灵敏度？
• RQ3 在弱同位旋单态和双态模型中，对矢量型夸克的约束如何，特别是针对T→Zt和B→Wt衰变模式？
• RQ4 与以往的搜索相比，本结果如何，特别是在积分亮度增加和分析技术改进的背景下？
• RQ5 在所有可能的分支比组合下，T和B夸克的模型无关质量极限是什么？

主要发现

• 在所有信号区域中均未观测到与标准模型背景有显著偏离的现象，表明未发现矢量型顶夸克或底夸克成对产生的证据。
• 在假设矢量型夸克质量简并且分支比对应弱同位旋双态模型的前提下，T和B夸克质量的最强下限为1.59 TeV。
• 对于专属衰变模式，T→Zt的下限为1.47 TeV，B→Wt的下限为1.46 TeV，后者还对矢量型X夸克施加了约束，因为其衰变模式相同。
• 针对所有可能的分支比组合，推导出模型无关的极限，表明在不同衰变情景下均具有稳健的灵敏度。
• 本分析通过采用多元方法和更高的亮度，优于以往的ATLAS搜索，其约束强于先前36 fb⁻¹数据集的结果。
• 结果与标准模型一致，并为该末态中矢量型夸克成对产生的现象设定了迄今为止最严格的限制。